高中物理人教版 (新课标)选修3选修3-4第十四章 电磁波3 电磁波的发射和接收教案设计

课时14.3　电 磁 波 谱

　　1.通过实例认识电磁波谱。

2.了解电磁波谱中各波段的波的重要特征,及它们在科技、经济、社会发展中的重要应用。

3.知道电磁波是一种物质,具有能量。

4.了解太阳辐射能量的分布情况。

重点难点:各种不同频率(波长)的电磁波的特点及应用。

　　教学建议:本节阐述了电磁波谱的组成,分波段解释了无线电波、红外线、可见光、紫外线、X射线、γ射线的特点与应用,并指出电磁波具有能量。这些内容都属于了解的层次,教学方式以引导学生阅读和讨论为主。

导入新课:电磁波技术在人们的生产、生活中应用十分广泛,它在方便人们的同时也改变了人们的生活方式,你了解电磁波家庭中的各个成员吗?你知道它们在生产、生活中发挥哪些作用吗?比如微波炉、红外遥感器、各种CT等。

1.电磁波谱

(1)无线电波:波长大于1 mm的电磁波是无线电波,主要用于①通信、②广播。

(2)红外线:红外线是一种光波,它的波长比无线电波短,比可见光长,肉眼看不见,所有物体都发射红外线。主要用于红外线加热、红外线摄影、红外线成像和③红外遥感等。

(3)可见光:可见光的波长在400 nm到760 nm之间,不同颜色的色光频率④不同。

(4)紫外线:紫外线的波长比紫光更短,波长范围在5 nm到370 nm之间。紫外线具有较高的⑤能量,可以用它⑥灭菌消毒。

(5)X射线(伦琴射线)和γ射线

X射线(伦琴射线)和γ射线的波长比紫光短,具有很强的⑦穿透性。

2.电磁场的能量

电磁波是运动中的⑧电磁场,它可以传递⑨能量。

3.太阳辐射

阳光从太阳辐射出来,其中除含有可见光外,还有无线电波、红外线、紫外线、X射线、γ射线。太阳能量的辐射主要集中在⑩可见光、红外线和紫外线三个区域。

1.电磁波谱中波长最短的成分是什么?

解答:是γ射线。

2.天空为什么是亮的?

解答:大气散射阳光的结果。

3.人能发射红外线吗?

解答:能。任何物体都能发射红外线。

主题1:红外线

情景:红外线是我们日常生活中可以接触到的电磁波。图示为红外线测温仪,它可以在不接触人体的情况下测量人体的温度,所以在“非典”流行期间被广泛应用。

问题:(1)红外线的频率比可见光的频率高还是低?根据电磁波谱上的位置说说它为什么叫红外线?用肉眼能不能观察到红外线?

(2)红外线测温仪是利用红外线的哪个特性?

(3)在工农业生产和日常生活中,你能说出有哪些利用红外线的地方?

解答:(1)红外线的频率低于可见光。在电磁波谱上红外线处在可见光红光的外侧,所以叫红外线。红外线不属于可见光,用肉眼不能观察到红外线。

(2)测温仪是利用红外线的热效应。

(3)红外线烤箱、红外线照相机、红外线遥控器(如电视机的遥控器)等。

知识链接:所有高于绝对零度(-273.15 ℃)的物质都可以产生红外线,现代物理学称之为热射线。

　　主题2:紫外线

情景:紫外线是我们日常生活中几乎天天接触到的电磁波。图甲是紫外线消毒器,它在医院和餐馆中应用较多;图乙为防紫外线的太阳镜,它是夏天出门常用的物品。

甲　　　　　　　　　　乙

问题:(1)紫外线和紫光相比较,谁的频率更高?紫外线消毒器是利用紫外线的哪个作用?

　　(2)太阳光中含有紫外线,说说日常生活中太阳光的紫外线对人的作用有哪些?

解答:(1)紫外线的频率比紫光高,紫外线消毒器是利用紫外线的杀菌消毒作用。

(2)紫外线能够促使人体合成维生素D,维生素D能促进钙的吸收,所以经常晒太阳可以在一定程度上预防佝偻病;但过强的紫外线对人体有害(如夏季的阳光),所以要进行防护。

知识链接:1801年德国物理学家里特发现在日光光谱的紫端外侧一段能够使含有溴化银的照相底片感光,因而发现了紫外线的存在。

　　主题3:X射线和γ射线

情景:X射线和γ射线是波长很短的两种电磁波,它们在生产、生活中也有着巨大的应用,下面两图是有关它们应用的两个图样,根据图样和所学知识回答下列问题。

问题:(1)X射线和γ射线谁的波长更短?X射线是怎样产生的?γ射线是怎样产生的?

(2)甲图为某病人所做的X光片,这是利用X射线的什么特性来进行工作的?

(3)乙图为某公司生产的γ射线探测仪,它能够探测到金属构件内部是否有缺陷,X射线和γ射线谁的穿透性更强?

甲　　　　　　　　　　乙

解答:(1)γ射线的波长更短。X射线是通过X射线管产生的,γ射线是由放射性物质产生的。

(2)利用X射线的穿透性进行工作的。

(3)γ射线的穿透性更强。

知识链接:X射线又被称为伦琴射线或X光,是一种波长范围在0.01 nm到10 nm之间的电磁辐射形式。

1.(考查电磁波谱)根据电磁波谱从下列选项中选出电磁波的频率顺序由高到低排列且中间没有间断的是(　　)。

A.伦琴射线、紫外线、可见光

B.伦琴射线、紫外线、红外线

C.紫外线、红外线、可见光

D.无线电波、红外线、紫外线

【解析】根据电磁波可知选项A正确。

【答案】A

【点评】要知道电磁波谱的各成分及其波长顺序。

2.(考查紫外线)科学家发现地球大气层中的臭氧分子不断受到破坏。下列各项电磁波,会因臭氧层受损而对人类的健康构成最大危害的是(　　)。

A.可见光 　　B.紫外线 　　C.伽玛辐射 　　D.微波

【解析】由于太阳光中存在大量紫外线,而过多的紫外线会伤害眼睛和皮肤,臭氧层能吸收紫外线,故因臭氧层受损而对人类构成最大伤害的是紫外线。

【答案】B

【点评】夏天人们抹防晒霜主要目的就是防紫外线。

3.(考查电磁波性质)一种电磁波射到半径为1 m的孔上,可发生明显的衍射现象。由此可知这种波属于电磁波谱中的(　　)。

A.γ射线　　B.可见光　　C.无线电波　　D.紫外线

【解析】根据发生明显的衍射现象的条件可知,障碍物或孔的尺寸和波长相差不多或比波长还要小。电磁波谱中无线电波的波长范围在10-3 m~104 m,而红外线的波长范围在10-6 m~10-1 m,可见光、紫外线、γ射线的波长更短,故只有无线电波才能发生明显的衍射现象,故选项C正确。

【答案】C

【点评】了解电磁波谱各成分的波长大致范围。

4.(考查红外线)(1)红外体温计不与人体接触就能测体温,为什么?

(2)一切物体都在不停地辐射红外线,那为什么在冰窖中我们还会感到很冷?

(3)红外遥感有哪些方面的应用?

【解析】(1)一切物体都在不停地辐射红外线,且温度越高,辐射的红外线越强,人体当然也是这样,这就是红外体温计的原理。因此红外体温计不与人体接触就可测体温。

(2)在冰窖中四周为冰,温度较低,它向外辐射红外线的本领比人体弱,人体在相同时间内向外辐射的红外线比接收的冰辐射的红外线还要多,因此人会感觉越来越冷。

(3)红外遥感技术有着广泛的应用。如在飞机或卫星上用来勘测地热、寻找水源、监视森林火情、预报风暴和寒潮等。红外遥感在军事上也十分重要。

【答案】见解析

【点评】人体温度越高,发射红外线强度越大, 红外体温计可以据此测体温。

拓展一:各种电磁波的应用

 1.下面列出了一些医疗器械的名称和这些器械运用的物理现象。请将相应的字母填写在运用这种现象的医疗器械后面的空格上。

 (1) X光机,　　　　　　　　。 

 (2)紫外线灯,　　　　　　。 

 (3)理疗医用“神灯”照射伤口,可使伤口愈合得较好。这里的“神灯”是利用　　　　　　。 

 A.光的全反射

B.紫外线具有很强的荧光作用

C.紫外线具有杀菌消毒作用

D.X射线有很强的穿透力

E.红外线具有显著的热效应

F.红外线波长较长,易发生衍射

【分析】无线电波主要用于传递信号,红外线最主要的作用是热作用,紫外线是化学作用,X射线最主要的作用是穿透作用。

【解析】(1)X光机是用来透视人体内的器官的,因此需要具有较强穿透力的电磁波,但又不能对人体造成太大的伤害,因此采用了穿透能力比较强又不会给人体造成太大伤害的X射线,选择D。

(2)紫外线灯主要是用来杀菌的,因此它应用的是紫外线的杀菌作用,而非荧光作用,因此选择C。

(3)“神灯”又称红外线灯,主要是用于促进局部血液循环,它利用的是红外线的热效应,使人体局部受热,血液循环加快,因此选择E。

【答案】(1)D　(2)C　(3)E

【点拨】电磁波的频率范围很广,不同电磁波由于具有不同的频率而具有不同的特性,使得它们在各方面的应用不同。

　　拓展二:电磁波的能量

2.用微波炉中的微波来烹调食物具有加热快、节能、不污染环境、保鲜度好等优点。微波炉加热器主要是用磁控管(在炉内顶部)产生微波,然后将微波照射到六面都用金属组成的空箱(又叫谐振腔)中,微波在理想导电金属表面上将被全反射,将含有水的食物放入箱中,很容易发热,试分析为什么食物会发热。(提示:水分子是极性分子)

【分析】考查微波炉的原理。它是利用高频电磁波作用在极性分子的水上产生高频振动生热而制成的。

【解析】所谓极性分子即组成分子的正负电荷的中心不重合,其间有一段距离,可等效为一个电偶极子,在外电场的作用下,使原来取向杂乱无章的极性分子(水)沿着外电场的方向转向,如果电场是交变的,那么极性分子的转向也要随电场的变化而不断改变方向,电能转化为分子的动能。在这个过程中,由于分子间的相互碰撞,动能又转化为热能,从而使由极性分子组成的物体的温度升高。微波是一种频率极高的电磁波,微波炉中的微波在六面金属表面上被来回全反射,大部分能穿透含水的食物内部,在高频率下极性分子的运动方向频繁变化,频繁地碰撞,因而加热速度快、效率高。

【答案】见解析

【点拨】利用电加热食物是现代社会发展的一个趋势。电饭锅、红外线烤箱、电磁炉、微波炉等电器的工作原理都不相同。

一、物理百科

为什么不用金属而用瓷器盛食物在

微波炉中加热?

微波炉是快速加热食物或焖煮食物的电器,既方便,又无污染,深受家庭主妇的青睐。不知你是否注意,人们在加热或焖煮食物时,常用瓷质盛器或塑料盛器来盛装食物,而不用金属盛器来盛装食物,为什么?

微波(microwaves)就是频率介于30 MHz~300000 MHz(波长介于10 m~0.001 m)的电磁波。微波炉是利用微波的能量把食物加热,将微波的能量转变为食物的内能。

当微波辐射到食品上时,食品中总是含有一定量的水分。微波使水分子热运动加剧,食物温度升高。

微波炉的微波频率为2450 MHz,这是使水分子振动的最有效频率。

瓷器中没有水分子,也没有一端正一端负的其他分子,故微波炉的电场不能使其分子运动,故不会被加热。

金属能反射微波而使微波不能穿透金属器皿,故金属器皿盛食物的加热效果不如瓷器。

微波炉不使用时,最好将一杯水放入炉腔中,避免微波炉不经意地空载运行。如果微波炉被误触发,微波能会被水吸收,但也要注意,不要将闲置的微波炉当贮藏柜使用。

二、备用试题

1.关于电磁波谱,下列说法正确的是(　　)。

A.波长不同的电磁波在本质上完全相同

B.电磁波的波长若差异太大则会出现本质不同的现象

C.电磁波谱的频带很宽

D.电磁波的波长很短,所以电磁波谱的频带很窄

【解析】电磁波谱中的电磁波在本质上是完全相同的,只是波长和频率不同而已。其中波长最长的波跟波长最短的波之间频率相差近1020倍。

【答案】AC

2.关于紫外线的说法正确的是(　　)。

A.照射紫外线可增进人体对钙的吸收,因此人们应尽可能多地接受紫外线的照射

B.一切高温物体发出的光都含有紫外线

C.紫外线有很强的荧光效应,常被用来防伪

D.紫外线有杀菌消毒的作用,是因为其有热效应

【解析】由于紫外线有显著的生理作用,杀菌能力较强,在医疗上有其应用,但是过多地接受紫外线的照射,对人体来说也是有害的,所以A、D不正确;并不是所有的高温物体发出的光都含有紫外线,所以B不正确;紫外线有很强的荧光效应,可用来防伪,故C正确。

【答案】C

3.对红外线的作用及来源正确的叙述有(　　)。

A.一切物体都在不停地辐射红外线

B.红外线有很强的荧光效应

C.红外线最显著的作用是热作用

D.红外线容易穿过云雾、烟尘

【解析】一切物体都在不停地辐射红外线,且热物体比冷物体的红外辐射本领大,A正确。荧光效应是紫外线特性,红外线没有,红外线最显著的作用是热作用,B错误,C正确。红外线波长较长,衍射能力比较强,D正确。

【答案】ACD

4.高原上人的皮肤黝黑的原因是(　　)。

A.与高原上人的生活习惯有关

B.与高原上的风力过大有关

C.与高原上紫外线辐射过强有关

D.由遗传本身决定

【解析】高原上紫外线辐射比平原高许多,而紫外线对皮肤的生理作用会使皮肤变得粗糙和黝黑。故选项C正确,A、B、D均错误。

【答案】C